En la última década, Numerosos estudios de física han explorado cómo los campos eléctricos oscilantes producidos por láseres o fuentes de microondas pueden usarse para alterar dinámicamente las propiedades de los materiales bajo demanda. En un nuevo estudio presentado en Física de la naturaleza , dos investigadores de la Universidad de Copenhague y la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU), En Singapur, se han basado en los hallazgos de estos estudios, descubrir un mecanismo a través del cual un metal que interactúa no magnético puede magnetizarse espontáneamente.

"Experimentos recientes en nanoplásmica han demostrado que cuando los electrones en sistemas metálicos a nanoescala se excitan colectivamente, ellos pueden, De hecho, Producen campos eléctricos oscilantes extremadamente intensos por sí mismos, "Mark Rudner, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "A la luz de esta observación, nos propusimos descubrir qué nuevos fenómenos podrían surgir cuando estos 'campos internos' dentro de un material retroalimenten para cambiar las propiedades del propio material ".

Los campos internos a los que se refiere Rudner son campos eléctricos oscilantes intensos que se originan a partir de oscilaciones de carga en un metal, conocido como plasmones. Los plasmones se utilizan a menudo para confinar la luz a escalas de longitud muy por debajo de su longitud de onda original a nanoescala, así como para orientar su propagación a través de dispositivos. El comportamiento detallado de un plasmón (por ejemplo, la frecuencia a la que oscila, su quiralidad, etc.) depende directamente de las propiedades de un material, como su estructura de banda electrónica.

"Típicamente, Se cree que estos detalles del material son cantidades fijas del material elegido; para obtener un tipo diferente de plasmón, uno tendría que usar convencionalmente un material diferente, "Justin Song, el otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Nos preguntamos si había una manera de eludir esta restricción. Es importante destacar que si los fuertes campos internos de un plasmón pudieran modificar la estructura de la banda electrónica de un material cambiando así las propiedades del material, también transformaría el plasmón, estableciendo un circuito de retroalimentación que permite al plasmón asumir nuevos tipos de comportamiento ".

Una vez que se dieron cuenta de que los campos internos oscilantes en un material excitado pueden cambiar sus propiedades electrónicas, Rudner y Song se propusieron demostrar este concepto dentro de la configuración más simple posible. Por lo tanto, decidieron estudiar discos de grafeno a nanoescala, ya que el grafeno es un material ampliamente disponible y de alta calidad que tiene características favorables para observar este efecto. Usando esta configuración, demostraron las condiciones bajo las cuales la retroalimentación de los campos internos de los modos colectivos podría desencadenar una inestabilidad hacia la magnetización espontánea en el sistema.

"Analizamos teóricamente cómo los plasmones en un disco de grafeno se transformaron bajo irradiación polarizada linealmente y descubrimos que cuando la intensidad de la luz era baja, el plasmón debe oscilar en la misma dirección que la polarización de la luz, Song explicó. Sin embargo, por encima de una intensidad crítica, nuestro análisis teórico indicó que el plasmón puede elegir espontáneamente rotar, adquiriendo una mano que no estaba originalmente presente en el disco metálico ni en la luz irradiante. De este modo, los plasmones adquieren una 'vida separada' (eligiendo espontáneamente una quiralidad) distinta tanto del material que lo aloja (el disco metálico) como del campo de luz que lo impulsa (la irradiación linealmente polarizada) ".

En su estudio, Rudner y Song demostraron que los modos colectivos de los sistemas impulsados ​​a veces pueden cobrar vida propia, "exhibiendo fenómenos únicos y espontáneos que rompen la simetría que son independientes de la fase de equilibrio subyacente. Aunque los investigadores ilustraron este principio utilizando discos de grafeno a nanoescala, también se aplica a otros materiales.

"La observación clave al realizar nuestro análisis fue que, desde el punto de vista de un electrón dentro de un material, un campo eléctrico es un campo eléctrico:no importa si este campo oscilante fue producido por un láser que brilla sobre el material desde el exterior (como se estudió anteriormente), o colectivamente por todos los demás electrones dentro del propio material, "Esto abre un mundo de nuevas posibilidades", dijo Rudner, en el que los campos internos producidos por las excitaciones colectivas en los materiales pueden conducir a una variedad de nuevos fenómenos ".

Como explican Rudner y Song, las propiedades de los modos colectivos, como plasmones, generalmente están "bloqueados" a su material de acogida. Curiosamente, sin embargo, sus observaciones demuestran que los plasmones pueden desafiar este "bloqueo" a su material huésped. En otras palabras, su estudio muestra que los plasmones pueden tener fases distintas del material subyacente que los aloja.

El estudio realizado por Rudner y Song ofrece una nueva información valiosa sobre cómo los campos eléctricos oscilantes dentro de los materiales, particularmente metales no magnéticos, puede alterar algunas de sus propiedades. Hasta aquí, los investigadores se han concentrado en las distintas fases de los plasmones, pero ahora planean examinar otros modos colectivos que podrían exhibir fenómenos similares de ruptura de simetría.

"Esperamos ver nuestras predicciones confirmadas en experimentos en un futuro próximo, ", Dijo Rudner." En un nivel teórico, Hay muchas preguntas fundamentales para explorar acerca de la naturaleza de la ruptura espontánea de la simetría sin equilibrio que predijimos, así como extensiones a otros sistemas físicos y tipos de comportamientos. También planeamos investigar posibles aplicaciones de este fenómeno, por ejemplo en optoelectrónica ".

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